Friday, January 18, 2019

La liberazione della Luce

Dopo l’inizio tumultuoso, l’Universo vive un periodo più tranquillo. Ma quiete non significa inattività. Anzi, tutto il contrario!
Nel post di Oggi il balzo temporale sarà un po’ più esteso, arrivando a 380.000 anni circa dopo il Big Bang. Questo è un periodo relativamente tranquillo, nel quale non si verificano particolari eventi. Lo spazio continua ad espandersi, trasportando con sé il suo contenuto, composto da grandi quantità di fotoni e piccole quantità di materia.


La materia, come detto, consiste soprattutto di nuclei di idrogeno e di elio, con piccole quantità di nuclei di litio e deuterio, insieme ad elettroni liberi. Materia ed energia non possono sbizzarrirsi gran che in questa fase, se non seguire, rassegnate, l’espansione dello spazio, che comporta anche una graduale riduzione delle temperature.

In questa fase la materia gioca un ruolo minore rispetto all’energia, che domina il Cosmo. Il suo momento di gloria però arriverà più tardi, quando le condizioni di temperatura e densità consentiranno alla gravità di esercitare il ruolo chiave che ha oggi, trasformando la materia in uno strumento di vita. Ma andiamo per gradi.

In questo periodo anche l’energia non può fare molto. Intrappolati nella enorme densità dell’incandescente Universo, i fotoni non possono muoversi liberamente. In quelle condizioni delle origini elettroni e protoni erano separati, ed ogni volta che un fotone liberato nel Big Bang si scontrava con una particella carica, veniva assorbito e riemesso alla stessa lunghezza d’onda ma in una direzione diversa da quella iniziale. Così facendo, l’universo era in una condizione simile a quella che si ha quando si puntano i fari nella nebbia. Quindi i fotoni rimangono lì, tra una collisione e l’altra, perdendo gradualmente energia con il raffreddamento dell’ambiente circostante (sappiamo infatti che la temperatura di un corpo è in relazione alla sua emissione di onde elettromagnetiche, e che un gas in espansione diminuisce la sua temperatura).

A parte causare disagio ai fotoni, impazienti di lanciarsi nello spazio alla velocità della luce e costretti invece ad aspettare tempi migliori, questa limitazione ha avuto un’importante conseguenza per noi. Poiché infatti le informazioni che riceviamo da oggetti lontani ci pervengono sotto forma di onde elettromagnetiche (fotoni), ciò che accade in questo lasso temporale non è accessibile alle nostre osservazioni dirette, a prescindere dalla potenza dei nostri strumenti, semplicemente perché i fotoni di allora non sono potuti partire per raggiungerci oggi. Si dice quindi che in questo periodo, l’Universo è opaco alla radiazione elettromagnetica.

La Ricombinazione
C’è un momento però in cui tutto cambia. Questo passaggio fondamentale avviene circa 380.000 anni dopo il Big Bang. La temperatura dell’Universo è ormai scesa al di sotto di 3000 K. A 3000 K fa caldo, certo, ma non poi così tanto…Teniamo presente che la temperatura superficiale di una stella di medio taglio come il Sole è di circa 6000 K, quindi il doppio. 3.000 K è un valore da non dimenticare, perché rappresenta la temperatura alla quale gli atomi possono formarsi.

Ricordiamo che gli atomi sono composti da nuclei (protoni e neutroni, di carica positiva) orbitati da elettroni (particelle molto più piccole, di carica negativa). In natura le particelle di cariche opposte si attraggono, quindi è naturale per un elettrone volersi “accasare” allacciandosi a un nucleo atomico. Ciò però non può avvenire se le temperature sono troppo elevate. 3000 K è la soglia al di sotto della quale ciò è possibile.

Dopo 380.000 anni dalla nascita dell’Universo, quindi, gli elettroni liberi possono finalmente legarsi ai nuclei di idrogeno ed elio, in un processo chimico chiamato ricombinazione. Nascono quindi i primi atomi veri e propri! Per ora gli unici nuclei atomici esistenti, formati dalla nucleosintesi primordiale, sono di idrogeno, litio, elio e deuterio, perché non si sono potuti formare nuclei più pesanti (con più protoni).

Ma perché la nascita dell’atomo è così importante?

L’atomo: un mattone e uno “spazzino cosmico”
Lo abbiamo già accennato nei Capitoli precedenti, ma vale la pena ribadire alcune informazioni essenziali, perché l’atomo da qui in poi sarà sempre protagonista nella nostra narrazione! E a ragione…

L’atomo è la più piccola struttura in cui si organizza la materia. Il suo nome deriva dal greco, e significa “indivisibile”, in quanto si pensava che non esistesse nulla di più piccolo. Oggi sappiamo che non è assolutamente così. Conosciamo già le particelle subatomiche (protoni, neutroni ed elettroni) che lo compongono. Ma anche alcune di loro, quelle più massicce (i componenti del nucleo atomico), addirittura sono composte da particelle ancora più piccole: i quark. Ciò non riduce il ruolo di assoluta priorità dell’atomo, poiché in esso le particelle si organizzano in “mattoncini” in grado di comporre strutture sempre più complesse.

Ricordiamo che gli atomi sono composti da nuclei di protoni e neutroni, con in “orbita” elettroni (non si tratta di vere e proprie orbite, ma possiamo considerarle tali per non complicarci la vita). Il numero di protoni presente nel nucleo determina l’elemento chimico (idrogeno, elio, ossigeno, carbonio, ferro, ecc.).

Generalmente, nel nucleo è presente lo stesso numero di protoni e di neutroni, ma, come detto nel nostro secondo appuntamento, il numero di neutroni può anche variare. In questo caso si parla di isotopo dello stesso elemento.

Esistono due semplici attributi che vengono utilizzati per descrivere un elemento chimico:

numero atomico Z: indica il numero di protoni presenti nel nucleo
numero di massa A: indica il numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo.
Gli atomi tendono ad essere elettricamente stabili, pertanto generalmente un atomo avrà lo stesso numero di protoni (carica positiva) e di elettroni (carica uguale ma negativa), che controbilanciandosi rendono l’atomo neutro. Un atomo di idrogeno, ad esempio, è composto da un protone e da un elettrone che gli “orbita intorno”. Analogamente, un atomo di elio è composto da un nucleo di 2 protoni e 2 neutroni, e da 2 elettroni.

L’importanza della costituzione degli atomi, però, va anche oltre il loro ruolo di “mattone cosmico”. La formazione degli atomi significa infatti che gli elettroni ora si trovano per la maggior parte in orbita attorno a nuclei atomici, e quindi non costituiscono più un ostacolo ai fotoni. In queste nuove condizioni, infatti, gli atomi potevano assorbire solamente i fotoni alle lunghezze d’onda determinate dai salti quantici tra i vari orbitali dell’atomo, lasciando liberi tutti gli altri. In poche parole, la nebbia si è dispersa, l’ingorgo universale si è sbloccato!

La Radiazione Cosmica di Fondo
Le strade sono finalmente libere per i fotoni, che possono circolare senza più ostacoli, muovendosi, finalmente, alla velocità della luce “c”, circa 300.000 km al secondo. Deve essere stata una meravigliosa sensazione di libertà per i fotoni, se hanno potuto provarla. Fino ad allora erano come potenti Ferrari fiammanti con il motore acceso e il freno a mano tirato chiuse in garage!

I fotoni così liberati iniziano a viaggiare in tutte le direzioni nello spazio alla velocità che loro compete. Viaggiano da allora, quasi del tutto indisturbati, in tutte le direzioni, riempiendo il Cosmo con una radiazione uniforme. Questi fotoni rappresentano perciò le informazioni più antiche che possiamo ricevere, emesse non proprio durante il Big Bang, ma quasi.

Questa radiazione, predetta da alcuni scienziati su base teorica già dal 1948, è stata rilevata nel 1965 da Arno Penzias e Robert Wilson, i quali per questa scoperta vinsero il Premio Nobel! E pensare che in un primo momento i due ingegneri delle telecomunicazioni avevano sospettato che le interferenze captate dall’antenna fossero causate da escrementi di piccioni finiti nell’apparecchiatura!

E invece no, si trattava della flebile ma decisa voce dell’Universo primordiale. Oggi questa voce è nota come radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Background – CMB), ed è una delle evidenze più forti a sostegno della teoria del Big Bang.

Nel prossimo Capitolo parleremo un po’ più in dettaglio della CMB, e dell’ambiente in cui si è formata, un Cosmo che a noi umani sarebbe apparso come uno spazio immenso colmo solo di luce.

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